華中科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院、物理學(xué)院HUST-UULM中德量子傳感與量子測(cè)量國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室蔡建明教授團(tuán)隊(duì)以“Engineering artificial atomic systems of giant electric dipole moment”為題在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表最新進(jìn)展，基于束縛電子提出了一種新型的人工原子系統(tǒng)，其巨大的電偶極矩可以超越自然界穩(wěn)定存在的天然原子，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)與微弱信號(hào)的耦合強(qiáng)度，為其量子相干調(diào)控以及微弱信號(hào)的精密測(cè)量提供明顯的優(yōu)勢(shì)。物理學(xué)院博士生余柏奕為論文第一作者，其他作者包括物理學(xué)院儲(chǔ)耀明博士、Ralf Betzholz博士、張少良教授、蔡建明教授。

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量子技術(shù)的核心物理基礎(chǔ)是構(gòu)建高度可控的量子系統(tǒng)。目前，瞄準(zhǔn)量子技術(shù)物理實(shí)現(xiàn)的量子系統(tǒng)主要包括超導(dǎo)量子系統(tǒng)、冷原子系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、離子阱系統(tǒng)、量子點(diǎn)系統(tǒng)、固態(tài)自旋系統(tǒng)等。不同類(lèi)型的量子系統(tǒng)具有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也面臨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)新的面向量子技術(shù)需求的可控量子系統(tǒng)，具有重要的科學(xué)意義�？煽氐男滦腿斯ぴ�子系統(tǒng)將拓寬人們對(duì)物理世界在量子層面的掌控能力。通過(guò)人為的設(shè)計(jì)與調(diào)控，我們有可能在自然界原子難以達(dá)到的參數(shù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)量子疊加、量子糾纏等量子效應(yīng)，擴(kuò)展量子技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段。針對(duì)量子技術(shù)對(duì)人工原子系統(tǒng)的需求，蔡建明教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究提出了一個(gè)大膽的思路：基于電場(chǎng)束縛單電子（Paul阱），其囚禁時(shí)間可以一定程度上媲美Paul阱中離子的囚禁時(shí)間，并且，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)束縛電子的電勢(shì)場(chǎng)，束縛電子的高激發(fā)量子態(tài)將具有超越天然原子的電偶極矩并保持穩(wěn)定。需要指出的是，電偶極矩的大小決定了其與電場(chǎng)相互作用的強(qiáng)度以及電偶極-偶極互作用的強(qiáng)弱。

然而，要想在束縛單電子附近無(wú)正電核心（即天然原子中的原子核）的情況下得到一個(gè)類(lèi)似于天然原子中的電勢(shì)場(chǎng)，即便是在原理上也存在巨大挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，蔡建明教授團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)引入形如z的三次方和z的四次方的軸向非簡(jiǎn)諧電勢(shì)場(chǎng)，束縛電子的高激發(fā)量子態(tài)（能級(jí)間距為MHz）在被穩(wěn)定束縛的同時(shí)，其電偶極矩可以比天然原子的穩(wěn)定激發(fā)態(tài)提升數(shù)十倍。進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)角度系統(tǒng)地提供了對(duì)這些穩(wěn)定的高激發(fā)量子態(tài)進(jìn)行初始化、相干操控以及觀測(cè)的具體方法，充分展示了該系統(tǒng)的巨大潛力。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索這一新型物理體系，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于天然原子的電偶極-偶極互作用，構(gòu)建基于束縛帶電粒子的可擴(kuò)展量子系統(tǒng)，為這一全新系統(tǒng)應(yīng)用于量子精密測(cè)量等量子技術(shù)進(jìn)一步賦能。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.073202